«Программирование пропорционального регулятора для следования по линии»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА

Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6

ЦЕЛЕВОЙ БЛОК

Модуль: Мобильная робототехника
Тема урока: Практическая работа «Программирование пропорционального регулятора для следования по линии»
Цель урока: Создать условия для формирования практических навыков программирования и настройки пропорционального регулятора для точного следования робота по линии с постоянной скоростью.

Планируемые результаты:

Предметные:

Умение реализовывать алгоритм пропорционального регулирования в программе для робота
Навык настройки коэффициентов пропорционального регулятора
Понимание влияния различных коэффициентов на поведение системы
Умение обеспечивать плавность движения робота при следовании по линии

Метапредметные:

Регулятивные УУД: умение проводить эксперименты с различными параметрами, анализировать результаты и оптимизировать решение
Познавательные УУД: умение применять математические методы для настройки технических систем, устанавливать причинно-следственные связи
Коммуникативные УУД: умение работать в паре/группе при решении технических задач, обсуждать результаты экспериментов

Личностные:

Развитие инженерного мышления и аналитических способностей
Формирование терпения и настойчивости при настройке технических систем
Воспитание внимания к деталям и стремления к оптимальному результату
Развитие культуры технического эксперимента

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ БЛОК

Задачи урока:

Образовательные:

Закрепить знания о принципах работы пропорционального регулятора
Научить реализовывать алгоритм пропорционального регулирования в программе
Сформировать понимание связи между коэффициентами регулирования и поведением робота

Развивающие:

Развивать навыки отладки и оптимизации программ
Формировать умение проводить систематические эксперименты с изменением параметров
Развивать способность к анализу данных и выявлению закономерностей

Воспитательные:

Воспитывать настойчивость при решении сложных технических задач
Формировать культуру технического эксперимента
Развивать ответственность за качество выполненной работы

Тип урока: Практическая работа

Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:

Робототехнические наборы с контроллерами и датчиками линии (по одному на пару/группу)
Компьютеры с установленной средой программирования
Полигоны для тестирования роботов с нанесенными линиями
Презентация с примерами реализации пропорционального регулятора
Рабочие листы для фиксации результатов эксперимента
Секундомеры для измерения времени прохождения трассы
Таблицы для записи коэффициентов и результатов тестирования
Инструкция по настройке пропорционального регулятора

ОРГАНИЗАЦИОННО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ БЛОК

Образовательные технологии:

Проектное обучение
Экспериментальное исследование
Работа в малых группах
Практико-ориентированное обучение

Межпредметные связи:

Математика: Расчет коэффициентов регулирования, анализ устойчивости системы, пропорциональные зависимости
Физика: Измерение скорости и ускорения при разных коэффициентах регулирования, плавность движения, инерция
Информатика: Алгоритмизация, программирование, отладка программ, условные операторы, циклы
Технология: Конструирование роботов, оптимизация технических систем

Основные понятия: Пропорциональный регулятор (P-регулятор), коэффициент пропорциональности, ошибка регулирования, отклонение от линии, устойчивость системы, колебательность, перерегулирование, установившийся режим, постоянная скорость, плавность движения, метод подбора коэффициента

Этап урока	Деятельность учителя	Деятельность ученика	Планируемые результаты предметные	Планируемые результаты УУД
1. Организационный момент (3 мин)	Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку. Проверяет наличие и работоспособность робототехнических наборов и компьютеров.	Готовят рабочие места, проверяют наборы и включают компьютеры	Подготовка к практической работе	Регулятивные: самоорганизация
2. Постановка задачи (7 мин)	Формулирует цель практической работы: “Сегодня вы создадите программу с пропорциональным регулятором для точного следования робота по линии с постоянной скоростью. Ваш робот должен двигаться плавно, с минимальными колебаниями”. Демонстрирует видео с примером успешной реализации следования по линии с пропорциональным регулятором. Объясняет критерии оценки успешной работы: плавность движения, точность следования, отсутствие резких колебаний.	Слушают задание, смотрят демонстрационное видео, задают уточняющие вопросы	Понимание целей и критериев успешного выполнения задания	Познавательные: целеполагание Коммуникативные: формулирование вопросов
3. Актуализация знаний (5 мин)	Задает вопросы: “Что такое пропорциональный регулятор?”, “Как вычисляется управляющее воздействие в P-регуляторе?”, “Что происходит при слишком малом/большом коэффициенте пропорциональности?”. Организует мини-опрос о структуре пропорционального регулятора.	Отвечают на вопросы, вспоминают материал предыдущего урока, обсуждают принцип работы пропорционального регулятора	Актуализация знаний о пропорциональном регулировании	Познавательные: извлечение имеющихся знаний Коммуникативные: участие в обсуждении
4. Инструктаж перед практической работой (10 мин)	Объясняет алгоритм реализации пропорционального регулятора для следования по линии: 1) Считывание показаний датчика линии 2) Вычисление отклонения от целевого значения 3) Расчет управляющего воздействия (мощность моторов = базовая скорость ± коэффициент * отклонение) 4) Применение управляющего воздействия к моторам Демонстрирует пример кода с пропорциональным регулятором и объясняет каждую часть программы. Предлагает план экспериментов с различными коэффициентами.	Слушают объяснения, делают записи, анализируют демонстрируемый код, задают вопросы по реализации алгоритма	Понимание алгоритма реализации P-регулятора для следования по линии	Познавательные: анализ алгоритмов
5. Программирование регулятора (15 мин)	Организует работу в парах или малых группах. Консультирует учащихся в процессе программирования, обращает внимание на ключевые моменты реализации пропорционального регулятора.	Работают в парах/группах: пишут программу следования по линии с пропорциональным регулятором, реализуют считывание данных с датчика, вычисление ошибки и управляющего воздействия	Умение программировать алгоритм пропорционального регулирования	Познавательные: применение знаний на практике Коммуникативные: работа в паре/группе
6. Физкультминутка (2 мин)	Проводит короткую динамическую паузу, имитирующую движение робота по линии с разными коэффициентами регулирования.	Выполняют упражнения, имитируя разные режимы движения робота	-	Регулятивные: переключение внимания
7. Начальное тестирование и отладка (10 мин)	Организует первичное тестирование программы с начальным коэффициентом пропорциональности. Консультирует по вопросам отладки.	Загружают программу в робота, тестируют работу на полигоне, выявляют проблемы, вносят базовые корректировки в программу	Навык отладки программы с пропорциональным регулятором	Регулятивные: контроль и коррекция
8. Экспериментальная настройка коэффициентов (20 мин)	Организует серию экспериментов с различными значениями коэффициента пропорциональности. Предлагает методику настройки: начать с малого значения и постепенно увеличивать, фиксируя результаты. Раздает рабочие листы для записи результатов экспериментов.	Проводят серию экспериментов: тестируют робота с разными значениями коэффициента, наблюдают за поведением робота, измеряют скорость и плавность движения, фиксируют результаты в таблице	Умение экспериментально настраивать коэффициенты регулирования	Регулятивные: планирование эксперимента Познавательные: анализ данных
9. Анализ результатов экспериментов (10 мин)	Организует анализ полученных результатов. Задает направляющие вопросы: “Как меняется поведение робота при увеличении/уменьшении коэффициента?”, “При каком значении коэффициента достигается наиболее плавное движение?”, “Почему слишком большой коэффициент приводит к колебаниям?”	Анализируют результаты экспериментов, выявляют закономерности изменения поведения робота при разных коэффициентах, определяют оптимальное значение для своего робота	Понимание влияния коэффициентов на поведение системы	Познавательные: установление причинно-следственных связей
10. Финальная оптимизация (5 мин)	Предлагает внести финальные корректировки на основе анализа результатов для достижения наиболее плавного движения.	Вносят корректировки в программу, тестируют окончательную версию, оптимизируют значения параметров	Умение оптимизировать параметры регулятора	Регулятивные: коррекция Познавательные: оптимизация решения
11. Демонстрация результатов (10 мин)	Организует демонстрацию работы роботов. Предлагает каждой группе продемонстрировать движение своего робота по линии и рассказать об оптимальном значении коэффициента.	Демонстрируют работу своего робота, комментируют выбранное значение коэффициента, объясняют, как оно влияет на плавность и точность движения	Умение представлять и обосновывать технические решения	Коммуникативные: презентация результатов
12. Рефлексия и подведение итогов (3 мин)	Подводит итоги практической работы, задает вопросы: “Какие закономерности вы выявили при изменении коэффициента пропорциональности?”, “Каковы признаки оптимально настроенного регулятора?”, “Какие проблемы остаются у пропорционального регулятора?”	Отвечают на вопросы, делятся наблюдениями, оценивают свою работу, анализируют достигнутые результаты	Обобщение знаний о настройке пропорционального регулятора	Регулятивные: оценка результатов Познавательные: рефлексия

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

Базовый уровень:

Составить отчет о проделанной практической работе с описанием экспериментов и их результатов
Подготовить график зависимости плавности движения робота от значения коэффициента пропорциональности

Повышенный уровень:

Разработать и описать алгоритм автоматической настройки коэффициента пропорциональности
Исследовать возможности улучшения пропорционального регулятора (например, добавление интегральной или дифференциальной составляющих)

ОЦЕНИВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Критерии оценивания практической работы:

Корректность реализации алгоритма пропорционального регулирования (1-5 баллов)
Качество проведения экспериментов с различными коэффициентами (1-5 баллов)
Плавность движения робота по линии (1-5 баллов)
Точность следования по линии (1-5 баллов)
Качество анализа и обоснованность выбора оптимального коэффициента (1-5 баллов)

Шкала оценивания:

“5” - 21-25 баллов
“4” - 16-20 баллов
“3” - 10-15 баллов
“2” - менее 10 баллов

ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

По итогам урока учащиеся должны:

Знать:

Принципы реализации пропорционального регулятора в программе робота
Методы экспериментальной настройки коэффициентов регулирования
Признаки оптимально настроенного регулятора
Влияние различных коэффициентов на поведение робота

Уметь:

Программировать алгоритм пропорционального регулирования для следования по линии
Проводить эксперименты с различными параметрами регулятора
Анализировать поведение робота при разных коэффициентах
Оптимизировать значения параметров для достижения плавного движения

Владеть:

Навыками отладки программы пропорционального регулятора
Методами экспериментального определения оптимальных параметров
Техникой анализа поведения робототехнической системы
Приемами оптимизации движения робота по линии

Дополнительные материалы к уроку:

Шаблон программы пропорционального регулятора для различных платформ
Таблица для записи результатов экспериментов с разными коэффициентами
Графики поведения системы с разными коэффициентами пропорциональности
Справочные материалы по типичным проблемам при настройке регуляторов
Видеоматериалы с примерами работы роботов при разных настройках регулятора